UV/Vis-Spektroskopie zur Konzentrationsbestimmung

Aktives Lernen funktioniert hier besonders gut, weil die UV/Vis-Spektroskopie ein hochgradig praktisches Thema ist, das direkte Messerfahrungen und Dateninterpretation erfordert. Schüler verstehen die Theorie des Lambert-Beerschen Gesetzes erst wirklich, wenn sie selbst eine Kalibrierkurve erstellen und damit unbekannte Konzentrationen bestimmen.

• Klasse 13
• Chemie der Oberstufe: Von der Thermodynamik zur Synthese
• 4 Aktivitäten
• 20 Min.–60 Min.

Lernziele

1. Berechnen Sie die Konzentration einer unbekannten Lösung mithilfe einer Kalibrierkurve, die auf dem Lambert-Beerschen Gesetz basiert.
2. Analysieren Sie chromatographische Trennungen (z. B. HPLC) und identifizieren Sie die Prinzipien, die den Retentionszeiten und Peakformen zugrunde liegen.
3. Bewerten Sie die Reinheit eines synthetisierten Farbstoffs, indem Sie dessen UV/Vis-Spektrum mit Referenzspektren vergleichen und Abweichungen interpretieren.
4. Erklären Sie die physikalisch-chemischen Prinzipien, die der Lichtabsorption in der UV/Vis-Spektroskopie zugrunde liegen.
5. Entwerfen Sie ein einfaches Experiment zur Bestimmung der Konzentration eines bekannten Farbstoffs mithilfe von UV/Vis-Spektroskopie.

Fallstudienanalyse

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Praktikum: Kalibrierkurve mit UV/Vis

Schüler bereiten Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen eines Farbstoffs vor und messen deren Absorptionsspektren. Sie erstellen eine Kalibrierkurve und bestimmen die Konzentration einer unbekannten Probe. Dies verdeutlicht das Lambert-Beersche Gesetz praxisnah.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie, wie sich das Lambert-Beersche Gesetz zur Konzentrationsbestimmung nutzen lässt.

Moderationstipp: Führen Sie während des Praktikums die Kalibrierkurve mit den Schülern Schritt für Schritt durch, um typische Fehler bei der Probenvorbereitung und Messung zu vermeiden.

Setup: Gruppentische mit Platz für die Fallunterlagen

Materials: Fallstudien-Paket (3-5 Seiten), Arbeitsblatt mit Analyseraster, Präsentationsvorlage

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Fallstudienanalyse

⏱ 30 Min.·Partnerarbeit

HPLC-Chromatogramm-Analyse

In Gruppen analysieren Schüler gegebene HPLC-Chromatogramme von Gemischen. Sie identifizieren Peaks, bewerten Trennungen und diskutieren Einflussfaktoren wie stationäre Phase. Abschließend präsentieren sie ihre Ergebnisse.

Vorbereitung & Details

Analysieren Sie, nach welchen Prinzipien eine HPLC-Anlage komplexe Stoffgemische trennt.

Moderationstipp: Lassen Sie die Schüler beim HPLC-Chromatogramm-Analyse die Retentionszeiten und Peakflächen selbst auswerten, bevor sie die Ergebnisse interpretieren.

Setup: Gruppentische mit Platz für die Fallunterlagen

Materials: Fallstudien-Paket (3-5 Seiten), Arbeitsblatt mit Analyseraster, Präsentationsvorlage

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Fallstudienanalyse

⏱ 20 Min.·Einzelarbeit

Spektrenvergleich zur Reinheitsprüfung

Schüler vergleichen UV/Vis-Spektren reiner Stoffe mit Proben. Sie notieren Abweichungen und bewerten die Reinheit. Eine kurze Diskussion klärt Kriterien für Evidenz.

Vorbereitung & Details

Bewerten Sie, welche Evidenz Spektren für die Reinheit eines synthetisierten Stoffes liefern.

Moderationstipp: Nutzen Sie beim Spektrenvergleich zur Reinheitsprüfung echte Proben mit bekannten Verunreinigungen, um die Aussagekraft der Methode direkt erfahrbar zu machen.

Setup: Gruppentische mit Platz für die Fallunterlagen

Materials: Fallstudien-Paket (3-5 Seiten), Arbeitsblatt mit Analyseraster, Präsentationsvorlage

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Fallstudienanalyse

⏱ 60 Min.·Kleingruppen

Stationsexperiment: Farbstoff-Extraktion

Rundstationen mit Extraktion von Farbstoffen aus Lebensmitteln, gefolgt von UV/Vis-Messung und einfacher Chromatographie. Schüler rotieren und dokumentieren.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie, wie sich das Lambert-Beersche Gesetz zur Konzentrationsbestimmung nutzen lässt.

Moderationstipp: Beim Stationsexperiment zur Farbstoff-Extraktion achten Sie darauf, dass die Schüler verschiedene Extraktionsmethoden systematisch vergleichen.

Setup: Gruppentische mit Platz für die Fallunterlagen

Materials: Fallstudien-Paket (3-5 Seiten), Arbeitsblatt mit Analyseraster, Präsentationsvorlage

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Dieses Thema unterrichten

Erfahrene Lehrerinnen und Lehrer wissen, dass die UV/Vis-Spektroskopie nicht isoliert unterrichtet werden sollte. Kombinieren Sie die Theorie mit praktischen Anwendungen, um abstrakte Konzepte greifbar zu machen. Vermeiden Sie es, die Methode als reine Technik zu vermitteln – betonen Sie stets die chemischen Hintergründe und die Bedeutung der Methode für die analytische Chemie. Nutzen Sie Alltagsbeispiele wie Lebensmittelfarbstoffe, um die Relevanz zu verdeutlichen.

Was Sie erwartet

Nach diesen Aktivitäten sollten die Schüler das Lambert-Beersche Gesetz anwenden können, Kalibrierkurven korrekt interpretieren und zwischen verschiedenen Methoden der Konzentrationsbestimmung differenzieren. Sie zeigen dies durch präzise Messungen, korrekte Berechnungen und fundierte Diskussionen.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Während des Praktikums zur Kalibrierkurve mit UV/Vis beobachten Sie, dass Schüler annehmen, die Methode messe nur die Farbe von Substanzen.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Nutzen Sie die Kalibrierkurve als Anlass, um den Schülern zu zeigen, dass die Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge gemessen wird, die mit der Elektronenanregung im Molekül zusammenhängt, nicht mit der wahrgenommenen Farbe.

Häufige Fehlvorstellung

Während der HPLC-Chromatogramm-Analyse gehen Schüler davon aus, dass das Lambert-Beersche Gesetz für alle Konzentrationen linear gilt.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Zeigen Sie den Schülern die Abweichung von der Linearität in der HPLC-Auswertung auf, indem Sie sie die Peakflächen bei hohen Konzentrationen mit der Kalibrierkurve vergleichen lassen.

Häufige Fehlvorstellung

Während des Stationsexperiments zur Farbstoff-Extraktion nehmen Schüler an, HPLC trenne ausschließlich nach Molekülgröße.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Lassen Sie die Schüler im HPLC-Chromatogramm-Analyse die Retentionszeiten verschiedener Farbstoffe mit unterschiedlichen Polaritäten vergleichen, um zu zeigen, dass die Trennung nach Verteilungskoeffizienten erfolgt.

Ideen zur Lernstandserhebung

Kurze Überprüfung

Nach dem Spektrenvergleich zur Reinheitsprüfung geben Sie den Schülern ein UV/Vis-Spektrum eines synthetisierten Farbstoffs und eine Tabelle mit den Spektren bekannter Farbstoffe. Die Schüler identifizieren das synthetisierte Produkt anhand des Spektrums und geben die Wellenlänge der maximalen Absorption (λmax) an.

Lernstandskontrolle

Nach dem Praktikum zur Kalibrierkurve mit UV/Vis stellen Sie den Schülern eine Kalibrierkurve für einen Farbstoff zur Verfügung. Sie erhalten die Absorption einer unbekannten Probe und berechnen deren Konzentration. Zusätzlich erklären sie kurz ihren Rechenweg.

Diskussionsfrage

Während der HPLC-Chromatogramm-Analyse diskutieren die Schüler in Kleingruppen, warum es wichtig ist, sowohl die UV/Vis-Spektroskopie als auch die Chromatographie für die Analyse komplexer Gemische zu verwenden. Sie benennen die spezifischen Informationen, die jede Methode liefert und die der anderen fehlt.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie schnelle Schüler auf, eine unbekannte Farbstofflösung mit der Kalibrierkurve zu analysieren und die Ergebnisse mit einer HPLC-Analyse zu vergleichen.
• Unterstützen Sie Schüler mit Schwierigkeiten, indem Sie ihnen eine vorbereitete Tabelle mit typischen Absorptionswerten zur Verfügung stellen und sie schrittweise zur Berechnung anleiten.
• Vertiefen Sie die Thematik, indem Sie den Schülern ermöglichen, selbst Farbstoffe aus natürlichen Proben (z.B. Spinat) zu extrahieren und deren Konzentration zu bestimmen.

Schlüsselvokabular

Lambert-Beersches Gesetz	Ein Gesetz, das besagt, dass die Absorption von Licht durch eine Substanz direkt proportional zur Konzentration der Substanz und zur Schichtdicke des Mediums ist (A = ε · c · d).
Kalibrierkurve	Eine grafische Darstellung, die die gemessene Absorption (oder eine andere analytische Reaktion) gegen die bekannte Konzentration einer Reihe von Standards aufträgt, um unbekannte Konzentrationen zu bestimmen.
Chromatographie	Eine Labortechnik zur Trennung von Gemischen. Die Trennung basiert auf der unterschiedlichen Verteilung der Komponenten zwischen einer stationären Phase und einer mobilen Phase.
Retentionszeit	Die Zeit, die eine bestimmte Substanz benötigt, um eine chromatographische Säule von der Injektion bis zum Detektor zu durchlaufen.
Extinktionskoeffizient (molar)	Ein Maß dafür, wie stark eine chemische Spezies Licht bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert; eine Konstante für eine gegebene Substanz bei einer bestimmten Wellenlänge und Temperatur.